Elon Musk, założyciel firmy SpaceX, przedstawił aktualizację postępów w budowie nowej superciężkiej rakiety nośnej Super Heavy - Starship (BFR). Prezentacja wygłoszona 28 września w Boca Chica, na terenie budowy jednego z prototypów górnego stopnia rakiety podsumowała ostatni rok i zapowiedziała przyszłe ruchy firmy.
BFR ma być superciężkim systemem nośnym, składającym się z dwóch stopni: dolnego stopnia Super Heavy wielokrotnego użytku oraz górnego stopnia i jednocześnie statku kosmicznego Starship, który ma być także wielokrotnie używany i może pełnić rolę zarówno statku załogowego, transportowego czy tankowca. BFR ma docelowo umożliwić załogową wyprawę na Marsa.
Z kompozytu węglowego do stali nierdzewnej
Ostatnie lata upływały pod znakiem regularnych dużych zmian w projekcie rakiety. O planach rakiety nowej generacji dowiedzieliśmy się podczas prezentacji Elona Muska, wygłoszonej podczas Międzynarodowego Kongresu Astronautycznego IAC w 2016 roku. Dolny stopień miał liczyć wtedy 12 m średnicy i 42 rozwijanych już wtedy silników Raptor na ciekły metan.
W aktualizacji przedstawionej również na IAC w 2017 roku skala rakiety została zmniejszona. Wtedy też pojawiły się pierwsze deklaracje zwiększenia finansowania rozwoju rakiety, tak by mogła ona kiedyś zastąpić wykorzystywane obecnie przez firmę rakiety Falcon 9 i Falcon Heavy.
Kolejna aktualizacja programu nastąpiła we wrześniu 2018 roku, kiedy SpaceX ogłosił swojego pierwszego turystę kosmicznego. Miliarder Yusaku Maezawa wsparł finansowo firmę, w zamian za co dostał bilet lotu w nowej rakiecie w 2023 roku, podczas około 6-dniowej misji wokół Księżyca. Na misję Yusaku ma zaprosić kilku artystów.
Od tego czasu nastąpił znaczny wzrost aktywności w rozwoju i budowie prototypów systemu. Zaczęła się rozbudowa stanowiska testowego firmy w Boca Chica w Teksasie. Tam powstał też pierwszy prototyp Starshipa - tzw. Starhopper. Można było na żywo obserwować rozwój pierwszej platformy testowej rakiety, gdyż integracja głównych elementów była przeprowadzana na zewnątrz, poza zamkniętymi hangarami.
W kwietniu 2019 roku nastąpiły pierwsze odpalenia pełnoskalowego silnika Raptor na Starhopperze. W lipcu po raz pierwszy Starhopper wzniósł się w powietrze bez zabezpieczających lin, osiągając kilkanaście metrów wysokości. Ta sama rakieta wykonała w sierpniu lot na wysokość 150 m.
Źródło: SpaceX.
Tłem dla sobotniej prezentacji był już jednak pełnoskalowy prototyp Starshipa zwany Starship Mk.I. Inżynierowie firmy gorączkowo kończyli zestawianie dwóch części rakiety, aby zdążyć przed prezentacją. To ta rakieta powinna w najbliższych miesiącach wykonać lot na już znacznie większą wysokość, co najmniej 20 km. Kolejny egzemplarz prototypu powstaje też w pobliżu kosmodromu w Cape Canaveral na Florydzie. Pod start suborbitalny niemal identycznego statku Starship Mk.II przygotowywane już jest stanowisko 39A, które dzierżawi firma SpaceX. Oba budowane Starshipy są już znacznie bardziej skomplikowanymi maszynami, wyposażonymi w trzy silniki Raptor, powierzchnie sterujące i znacznie większe zbiorniki na ciekły tlen i metan.
Od Falcona 1 i skraju bankructwa do dominatora amerykańskiego rynku rakietowego
Elon Musk wystąpił na tle prototypu Starship Mk.I oraz pierwszego stopnia rakiety Falcon 1. Dokładnie 11 lat temu, 28 września firmie po raz pierwszy udał się start orbitalny tej rakiety. Założyciel SpaceX kolejny raz podkreślił, że kluczem do tanich lotów kosmicznych jest możliwość wielokrotnego użycia rakiety orbitalnej. Podkreślił, że aby to osiągnąć potrzeba silników o bardzo wysokim impulsie właściwym (metryka wydajności stosowana w inżynierii rakietowej), strukturę o jak najmniejszej masie i możliwość lądowania przy stanowisku startowym, celem szybkiego ponownego zatankowania.
Rakieta Falcon 1 podczas pierwszego udanego startu orbitalnego. Źródło: SpaceX.
Musk przypomniał historię firmy: pierwsze próby z rakietą Falcon 1 i testy odzysku dolnego stopnia za pomocą spadochronu, testy Grasshoppera - prototypu dolnego stopnia rakiety Falcon 9 testującego skoki i lądowanie i wreszcie serię prób lądowania dolnego stopnia orbitalnej rakiety. Powiedział, że teraz podobny skok testowy na wysokość 20 km wykona w ciągu najbliższych 1-2 miesięcy prototyp Starshipa.
Starship - nowe szczegóły
Następnie Musk przeszedł w prezentacji do głównego tematu spotkania czyli statku Starship. Jego parametry fizyczne to 50 m długości, 9 m średnicy, masa bez paliwa około 120 t (prototyp ma masę 200 t). Cała rakieta z dolnym stopniem ma być w stanie wynieść ponad 100 t na niską orbitę okołoziemską, a docelowo kolejne wersje mają mieć udźwig do 150 t. To wszystko z pełnym ponownym wykorzystaniem. Musk podkreślił, że przy pełnej reużywalności głównym kosztem rakiety staje się paliwo, które w przypadku Starshipa będzie głównie ciekłym tlenem (proporcje wykorzystania mieszanki to 3,5 t ciekłego tlenu na 1 t metanu).
Na prezentacji została pokazana symulacja lądowania Starshipa. Rakieta ta ma lądować w inny sposób niż Falcon 9. Ma wchodzić w atmosferę pod pewnym kątem natarcia, a następnie generować opór aerodynamiczny spadając praktycznie poziomo, kontrolując lot za pomocą powierzchni aerodynamicznych. Dopiero w ostatniej fazie lotu rakieta odwróci się silnikami do dołu, aby wykonać ostatnie hamowanie i przyziemienie.
Prototyp Starship Mk.I jest wyposażony w trzy silniki Raptor przeznaczone do lotu na niskich wysokościach o impulsie właściwym 330 s. Starship, jako że będzie drugim stopniem rakiety BFR, będzie wykorzystywał 6 silników Raptor: trzy będą zoptymalizowane do pracy w próżni, o impulsie właściwym 380 s, a trzy takie jak załączone w pierwszym prototypie. Silniki zamontowane do Starshipa Mk.I mogą wychylać się do około 15 stopni, kontrolując w ten sposób lot. Silniki zewnętrzne zoptymalizowane do pracy w próżni, nie będą się wychylały.
Silniki Raptor zamontowane do prototypu statku Starship Mk.I. Źródło: SpaceX.
Statek Starship jest zbudowany ze stali nierdzewnej o gatunku AISI 301. Ma ona dobrze znosić wysokie temperatury powrotu atmosferycznego. W miejscach rakiety, które osiągną największe temperatury struktura zostanie wyłożona płytkami ceramicznymi. Elon podkreślił, że w przypadku tego rodzaju stali jej wytrzymałość zwiększa się w kosmicznych warunkach niskich temperatur i wygrywa z aluminium czy kompozytami węglowymi. Dzięki temu rakieta ma nie potrzebować osłony termicznej od strony niezwróconej do Ziemi podczas powrotu oraz ma wymagać znacznie cieńszej osłony od strony najbardziej narażonej na wysokie temperatury powrotu. Innymi zaletami tego podejścia jest 50 razy mniejsza cena materiału i łatwość konstrukcji czego dowodem jest zbudowanie prototypu poza hangarem. Potencjalnie łatwiej z taką rakietą będzie też pracować na Marsie.
Super Heavy - dolny stopień kolosa
Następnie Musk przeszedł do omówienia dolnego stopnia rakiety, zwanego Super Heavy. Super Heavy ma mieć długość 68 m i taką samą jak Starship średnicę 9 m. Nie wiadomo jeszcze z ilu silników będzie się składał. Na grafice w prezentacji zaprezentowano układ z 37 silnikami, ale Musk zaznaczył, że może ich być mniej, minimum 24. Rolę nóg do lądowania będzie pełniło 6 lotek o kształcie zbliżonym do diamentu. Dolny stopień ma mieć taki ciąg, by zapewnić stosunek ciągu do ciężaru powyżej 1,5.
Musk pochwalił się udanym odpaleniem silnika Raptor na hamowni w McGregor i pierwszym lotem prototypu Starhopper. Platformy o znacznie mniejszych rozmiarach, wyposażonej w pojedynczy silnik Raptor, ale o tej samej średnicy 9 m co Starship.
Na prezentacji przedstawiono też pierwsze animacje lotu rakiety BFR, po znaczących zmianach w jej designie. Na filmie mogliśmy zobaczyć zmienioną znacząco koncepcję tankowania Starshipa na orbicie. Statki mają cumować będąc zwróconymi silnikami do siebie. Zdaniem Muska tankowanie na orbicie jest prostsze od dokowania do Międzynarodowej Stacji Kosmicznej, a to SpaceX już potrafi robić.
Pojawiły się też nowe grafiki prezentujące potencjalne wykorzystanie systemu Super Heavy-Starship w lotach na Księżyc, na Marsa czy do Saturna.
Na orbitę za pół roku?
Po prezentacji Elon Musk odpowiedział na serię pytań. Podał ważne szczegóły dotyczące najbliższych planów testowych. W ciągu 1-2 miesięcy Starship Mk.I ma wykonać skok do 20 km wysokości. Kolejny lot ma już wykorzystać Starshipa Mk.III, którego budowa w Boca Chica zacznie się za miesiąc. To w tym locie ma zostać osiągnięta orbita i po raz pierwszy ma być zbudowany dolny stopień Super Heavy. Budowa Starshipa Mk.II ma zakończyć się w ciągu kilku miesięcy (jest budowany przy Cape Canaveral). Kolejne usprawnione pod względem produkcji wersje Mk.III i Mk.IV powstaną w następnych miesiącach. Generalnie celem jest osiągnięcie orbity za pomocą prototypów tej technologii w przeciągu najbliższych 6 miesięcy.
Wąskim gardłem mogą okazać się silniki. Do lotów Starshipów Mk.III i Mk.IV potrzebne będą dwa stopnie Super Heavy - łącznie około 100 silników dla obu stopni. Obecnie możliwości produkcyjne to jeden silnik Raptor na 8-10 dni. Do pierwszego kwartału 2020 r. tempo produkcji ma wzrosnąć do jednego silnika dziennie.
Elon Musk nie wykluczył, że pierwsze loty załogowe systemu BFR mogą być przeprowadzone z Boca Chica. Założyciel SpaceX został też zapytany o wypowiedź na Twittterze administratora NASA Jima Bridenstine’a, który w niejednoznaczny sposób wypowiedział się na temat zapowiedzi prezentacji.
My statement on @SpaceX's announcement tomorrow: pic.twitter.com/C67MhSeNsa
— Jim Bridenstine (@JimBridenstine) September 27, 2019
Musk odpowiedział, że SpaceX znaczącą większość środków poświęca nadal na program Falcona 9 i statku Dragon.
Starship po zmianie designu ma nadal mieć możłiwość zabrania ze sobą 100 osób i 1000 metrów sześciennych przestrzeni w staku.
Podsumowanie
To pierwsza tak szczegółowa aktualizacja planów dotyczących superciężkiego systemu nośnego Super Heavy - Starship od roku. Wiele podanych przez Elona Muska dat należy przyjmować jednak jako przybliżone. Zdecydowanie jest to jednak pierwsza prezentacja wykonana już po znaczących testach sprzętu do nowej rakiety i przy niemal gotowym prototypie. SpaceX oprócz nowej rakiety, prowadzi cały czas intensywny harmonogram startów rakiety Falcon 9 i pracuje nad przeprowadzeniem pierwszej załogowej misji do Międzynarodowej Stacji Kosmicznej za pomocą statku Crew Dragon.
Opracował: Rafał Grabiański
Na podstawie: SpaceX
Wszystkie zdjęcia: SpaceX
Na zdjęciu tytułowym: Prototyp statku Starship (Mk.I) w Boca Chica w Teksasie. Źródło: SpaceX.
